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La recherche sur les matériaux de van der Waals est un sujet important en physique de la matière condensée. Depuis les premières exfoliations du graphene en 2004, la famille des matériaux de van der Waals s’est agrandie de manière extrêmement rapide, couvrant une large gamme de propriétés physiques différentes, des matériaux isolants au semi-metaux, en passant par les semi-conducteurs. Ces matériaux hébergent de plus des phénomènes tels que la supraconductivité, ou encore le fort couplage spin-vallée dans les dichalcogénures de métaux de transition. En parallèle, un second domaine s’est aussi développé de manière rapide : les hétérostructures de van der Waals. Il consiste à empiler des matériaux bi-dimensionnels, couche par couche, dans un ordre bien précis. Ces structures offrent la possibilité de combiner les propriétés de plusieurs matériaux différents, en un seul matériau artificiel, en plus de permettre l’apparition d’effets de proximité aux interfaces des différentes couches. Une perspective prometteuse serait d’amener la spintronique vers les matériaux de van der Waals, profitant ainsi de leur grande diversité, de leur épaisseur atomique, ainsi que de leur robustesse mécanique.


Un chainon restait cependant manquant dans cette grande famille des matériaux de van der Waals : les matériaux bi-dimensionnels magnétiques. Obtenir un ordre magnétique à deux dimensions ouvrirait la voie à de nombreuses opportunités, que ce soit au niveau fondamental avec l’étude de transitions de phase à deux dimensions ou pour de nouveaux dispositifs spintroniques. Ce n’est que très récemment, en 2017, qu’un ordre magnétique a été observé dans une mono-couche de CrI3 ainsi que dans une bi-couche de Cr2Ge2Te6. S’en est suivi un considérable effort de recherche international, permettant d’ajouter rapidement de nombreux nouveaux membres à la famille des matériaux de van der Waals magnétiques.


L’émergence de ces aimants bi-dimensionnels s’est aussi accompagnée de nouvelles problématiques. Tout d’abord instrumentale, car la mesure quantitative des propriétés magnétiques de ces matériaux est une entreprise complexe, de par leur taille réduite. Elle requiert l’utilisation de techniques de magnétométrie non-invasive, ayant une grande sensibilité et une résolution spatiale nanométrique. Une seconde problématique, cette fois au niveau matériau, est que du fait de leur nature lamellaire, la température de Curie TC de ces aimants de van der Waals est faible. La quasi- totalité des ces matériaux bi-dimensionnels magnétiques arborent une température de Curie bien inférieure à la température ambiante, ce qui limite le développement de nouvelles applications.


C’est dans ce contexte que j’ai effectué mon travail de thèse, sur l’étude de matériaux de van der Waals magnétiques à température ambiante, à l’échelle du nanomètre. Ce travail de thèse s’articule autour de deux axes, avec tout d’abord l’utilisation du centre azote-lacune (ou NV, pour Nitrogen Vacancy) du diamant comme capteur quantique de taille atomique. J’ai utilisé un microscope NV à balayage pour mesurer l’aimantation de flocons fins exfoliés de CrTe2, un aimant de van der Waals ferromagnétique à température ambiante dans sa forme de cristal massif. J’ai aussi étudié les effets de l’encapsulation par hBN sur leurs propriétés magnétiques.


La seconde partie se porte sur l’étude in-situ d’hétérostructures de van der Waals par un capteur quantique hébergé dans un matériau bi-dimensionnel. Le centre VB- présente des propriétés magnéto-optiques similaires au centre NV du diamant et est présent dans le hBN. J’ai développé un nouveau microscope magnétique basé sur ce défaut et j’ai montré une preuve de principe sur l’imagerie magnétique de flocons exfoliés de CrTe2.

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